±350 kV魯西背靠背柔性直流閥控系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷及改進(jìn)措施

褚海洋，冉學(xué)彬，莫 躍，宋海彬，毛臻炫，關(guān)宇洋，包 也

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400）

0 引言

500 kV魯西背靠背柔性直流輸電工程采用雙回±160 kV常規(guī)直流和±350 kV柔性直流混合輸電系統(tǒng)，將南方電網(wǎng)主網(wǎng)與云南電網(wǎng)異步隔離，保證了南方電網(wǎng)主網(wǎng)與云南電網(wǎng)相互獨(dú)立運(yùn)行。其中，±350 kV柔性直流系統(tǒng)是全球商業(yè)化運(yùn)行最早、運(yùn)維最好的柔性直流輸電項(xiàng)目。本文分析該工程兩起閥控系統(tǒng)單一元件故障導(dǎo)致柔性直流閉鎖事件的原因，總結(jié)改進(jìn)措施，以減少影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，幫助提高柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)維水平。

1 閥控系統(tǒng)介紹

魯西背靠背換流站云南側(cè)換流閥采用榮信電力電子股份有限公司的閥控系統(tǒng)，廣西側(cè)換流閥采用中國西電集團(tuán)有限公司的閥控系統(tǒng)。以云南側(cè)閥控系統(tǒng)為例，閥控系統(tǒng)由2面換流閥控制屏、12面脈沖分配屏和1面換流閥故障錄波屏組成。

閥控系統(tǒng)主要完成換流閥脈沖調(diào)制、脈沖分配及相關(guān)保護(hù)功能[1]。閥控系統(tǒng)接收上層單元控制系統(tǒng)（單元控制）下發(fā)的控制保護(hù)命令，并反饋換流閥的部分狀態(tài)信息給單元控制系統(tǒng)；同時，向下層脈沖分配屏發(fā)送控制命令，并接收脈沖分配屏收到的功率模塊狀態(tài)和故障信息。閥控系統(tǒng)采用雙系統(tǒng)熱備用冗余工作方式，A/B套閥控屏與A/B套PCP裝置一一對應(yīng)，不交叉冗余[1-2]。

2 閥控系統(tǒng)故障分析

2.1 故障信息

2019-09-25和2019-12-19，閥控系統(tǒng)上報(bào)SCADA后臺工作站云南側(cè)閥控B“CD旁路模塊數(shù)超限”故障、請求跳閘，最終導(dǎo)致柔性直流系統(tǒng)閉鎖跳閘。故障前，換流閥運(yùn)行正常，閥控B為主套閥控，閥控A為備用閥控；雙套閥控與CD橋臂第1個脈沖箱切換板的通信正常、無故障。

以12月19日為例，故障發(fā)生時SCADA后臺的報(bào)文內(nèi)容及順序如下：

（1）07：47：49.779出現(xiàn)了閥控A“冗余切換請求”。

（2）07：47：49.781出現(xiàn)了閥控B“CD模塊數(shù)超限跳閘”，即CD故障模塊數(shù)超過冗余。

（3）07：47：49.784出現(xiàn)了閥控B“冗余請求切換”和“閥控切換失敗”。

（4）07：47：49.811出現(xiàn)了閥控A“電容電壓平均值過壓故障”和“跳閘請求”。

2.2 閥控系統(tǒng)邏輯

2.2.1 主控箱與脈沖箱通信故障

為了實(shí)時檢測閥控屏主控箱與脈沖箱切換板之間的通信狀態(tài)，閥控配置了主控箱與脈沖箱通信故障請求切換邏輯，如圖1所示。

圖1 主控箱與脈沖箱通信故障請求切換邏輯

閥控下發(fā)循環(huán)數(shù)為閥控主控箱自加循環(huán)數(shù)，經(jīng)運(yùn)算箱下發(fā)到脈沖分配箱切換板，脈沖箱切換板反饋的循環(huán)數(shù)為脈沖分配箱接收到的閥控主控箱的自加循環(huán)數(shù)，再經(jīng)運(yùn)算箱反饋給閥控主控箱。根據(jù)閥控下發(fā)的循環(huán)數(shù)和脈沖箱切換板反饋的循環(huán)數(shù)，經(jīng)過減法運(yùn)算并取其絕對值與設(shè)定值比較，超過設(shè)定值6時，延時700μs后置位主控箱與脈沖箱通信故障請求切換標(biāo)志。

2.2.2 旁路超限故障

圖2為旁路超限故障邏輯框圖。每個功率模塊單元主控板會將模塊旁路請求及旁路狀態(tài)上送運(yùn)算箱，當(dāng)運(yùn)算箱統(tǒng)計(jì)任意一個橋臂已旁路的子模塊數(shù)量與請求旁路數(shù)量之和大于25時，立即置位旁路超限標(biāo)志位，并下發(fā)閉鎖命令向主控箱上傳跳閘請求。若主控箱檢測到運(yùn)算箱上傳的旁路超限標(biāo)志將再次下發(fā)閉鎖命令并出口跳閘，同時向換流站極控制保護(hù)上報(bào)閥控跳閘請求。

圖2 旁路超限故障邏輯

2.2.3 切換失敗故障

圖3為切換失敗故障邏輯框圖。當(dāng)主套閥控系統(tǒng)檢測到請求切換信號，延時1.5 ms仍為主套狀態(tài)則置位切換失敗故障標(biāo)志位；或者主套閥控請求切換時，在兩套閥控系統(tǒng)通信正常時檢測到另一套閥控處于OFF狀態(tài)，則置位切換失敗故障標(biāo)志位[3]。

圖3 切換失敗故障邏輯

3 閥控系統(tǒng)跳閘原因分析

3.1 閥控A發(fā)生請求切換和電容電壓平均值過壓故障

故障發(fā)生前，閥控B為主套、閥控A為備用，閥控A先檢測到W相下橋臂第1個脈沖箱通信故障（EX切換板故障導(dǎo)致），上報(bào)請求切換，故障錄波波形如圖4所示。閥控A請求切換后，極控A系統(tǒng)降為OFF狀態(tài)。從圖2可知閥控運(yùn)算板與脈沖箱故障請求切換需要持續(xù)判斷700μs，如果故障時間小于700μs，則無法置位請求切換。從錄波數(shù)據(jù)可見，在請求切換之前，CD第1號切換箱切換板反饋給閥控A的數(shù)據(jù)已經(jīng)為錯誤數(shù)據(jù)；由電容電壓最大值可見，后期接收到假的電容電壓信號導(dǎo)致電容電壓平均值已過壓（由圖4可見）。

圖4 A套系統(tǒng)故障錄波波形截圖

3.2 閥控B發(fā)生旁路超限、請求切換和切換失敗故障

閥控B界面報(bào)文中先出現(xiàn)了旁路超限故障，由故障錄波波形（圖5）可見，B套閥控由于運(yùn)算板和切換板通信故障置位請求切換板前一段時間接收了切換板反饋的錯誤數(shù)據(jù)，并且使用錯誤數(shù)據(jù)觸發(fā)了閥控B旁路超限故障，同時閉鎖換流閥請求跳閘。在閥控B閉鎖跳閘后經(jīng)過3.4 ms才檢測到一個持續(xù)700μs的運(yùn)算板與切換板通信故障信息，置位閥控請求切換，此時閥控A為OFF狀態(tài)，閥控B觸發(fā)切換失敗邏輯。

圖5 B套系統(tǒng)故障錄波波形截圖

通過閥控報(bào)文及系統(tǒng)故障錄波分析可知，脈沖箱EX切換板與閥控A、B兩套系統(tǒng)都出現(xiàn)通信故障導(dǎo)致閥控系統(tǒng)切換失敗，導(dǎo)致柔性直流系統(tǒng)跳閘，同時由于切換板故障反饋給閥控A/B運(yùn)算板的數(shù)據(jù)也存在錯誤和不一致現(xiàn)象，導(dǎo)致閥控A/B狀態(tài)與故障情況有所差別。

4 閥控系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)問題與改進(jìn)措施

4.1 設(shè)計(jì)問題

云南側(cè)換流單元三閥控系統(tǒng)外部接口示意圖見圖6。閥控系統(tǒng)A、B分別通過獨(dú)立的光纖通信回路將控制命令由橋臂運(yùn)算板發(fā)送至各橋臂脈沖分配箱的EX切換板；切換板根據(jù)兩套系統(tǒng)的主備狀態(tài)選擇主運(yùn)套閥控系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，通過脈沖板分發(fā)至各功率模塊執(zhí)行觸發(fā)關(guān)斷操作[4-6]。脈沖箱與閥控運(yùn)算箱連接方式見圖7。

圖6 云南側(cè)換流單元三閥控系統(tǒng)外部接口示意圖

從圖7可以看出，每個脈沖箱通過一塊非冗余的EX切換板與雙套閥控系統(tǒng)的運(yùn)算箱運(yùn)算板同時進(jìn)行通信，切換板為該通信回路上的公共部分[7-9]，該設(shè)計(jì)方式存在以下問題：

（1）閥控系統(tǒng)雖為冗余設(shè)計(jì)，但控制閥控系統(tǒng)通信切換的脈沖箱EX板為共用部分，兩套閥控系統(tǒng)并非完全冗余設(shè)計(jì)，會發(fā)生單一通信元件故障即造成柔性直流閉鎖的情況[10-11]。

（2）脈沖箱控制閥控切換的EX板故障處理機(jī)制不完善，導(dǎo)致EX板故障后依然上傳閥控A/B系統(tǒng)的錯誤跳閘信息[12]。

（3）閥控主機(jī)與脈沖箱EX切換板通信數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制不完善，EX板故障后會上傳閥控A/B系統(tǒng)的錯誤跳閘信息[13]，并按跳閘信息執(zhí)行相關(guān)的故障判斷邏輯。

4.2 改進(jìn)措施

（1）建立EX板故障處理機(jī)制，當(dāng)脈沖箱EX切換板故障時，閉鎖此EX板上送的所有A/B閥控系統(tǒng)信息，此時退出閥控系統(tǒng)雙套冗余熱備用，改為單套運(yùn)行，保證單一通信元件故障不閉鎖柔性直流。

（2）對A/B閥控系統(tǒng)切換通信EX板進(jìn)行雙重化配置改造，建立閥控系統(tǒng)切換回路完全冗余配置[14]。若其中一塊EX板故障退出運(yùn)行，則由另外一塊EX板負(fù)責(zé)通信；兩塊EX板均故障時，閉鎖兩塊EX板上送的所有A/B閥控系統(tǒng)信息，退出閥控系統(tǒng)雙套冗余熱備用，改為單套運(yùn)行。

5 結(jié)語

針對魯西背靠背柔性直流閥控系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)缺陷，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，其中EX板故障校驗(yàn)機(jī)制已在現(xiàn)場得到成功應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好；EX板完全冗余設(shè)置的改造工作也將在2021年年度檢修中實(shí)施，以保證閥控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。